e7a320ef549477037cf76b8a77330d803e8c681b
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / PromoteMemoryToRegister.cpp
1 //===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert allocas to registers ---------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file promote memory references to be register references.  It promotes
11 // alloca instructions which only have loads and stores as uses.  An alloca is
12 // transformed by using dominator frontiers to place PHI nodes, then traversing
13 // the function in depth-first order to rewrite loads and stores as appropriate.
14 // This is just the standard SSA construction algorithm to construct "pruned"
15 // SSA form.
16 //
17 //===----------------------------------------------------------------------===//
18
19 #define DEBUG_TYPE "mem2reg"
20 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
21 #include "llvm/Constants.h"
22 #include "llvm/DerivedTypes.h"
23 #include "llvm/Function.h"
24 #include "llvm/Instructions.h"
25 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
26 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
27 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
28 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
30 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
31 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
32 #include "llvm/Support/CFG.h"
33 #include "llvm/Support/Compiler.h"
34 #include <algorithm>
35 using namespace llvm;
36
37 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
38 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
39 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
40
41 // Provide DenseMapKeyInfo for all pointers.
42 namespace llvm {
43 template<>
44 struct DenseMapKeyInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
45   static inline std::pair<BasicBlock*, unsigned> getEmptyKey() {
46     return std::make_pair((BasicBlock*)-1, ~0U);
47   }
48   static inline std::pair<BasicBlock*, unsigned> getTombstoneKey() {
49     return std::make_pair((BasicBlock*)-2, 0U);
50   }
51   static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
52     return DenseMapKeyInfo<void*>::getHashValue(Val.first) + Val.second*2;
53   }
54   static bool isPod() { return true; }
55 };
56 }
57
58 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
59 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
60 ///
61 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
62   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
63   // assignments to subsections of the memory unit.
64
65   // Only allow direct loads and stores...
66   for (Value::use_const_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
67        UI != UE; ++UI)     // Loop over all of the uses of the alloca
68     if (isa<LoadInst>(*UI)) {
69       // noop
70     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
71       if (SI->getOperand(0) == AI)
72         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
73     } else {
74       return false;   // Not a load or store.
75     }
76
77   return true;
78 }
79
80 namespace {
81   struct AllocaInfo;
82
83   // Data package used by RenamePass()
84   class VISIBILITY_HIDDEN RenamePassData {
85   public:
86     typedef std::vector<Value *> ValVector;
87     
88     RenamePassData() {}
89     RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
90                    const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
91     BasicBlock *BB;
92     BasicBlock *Pred;
93     ValVector Values;
94     
95     void swap(RenamePassData &RHS) {
96       std::swap(BB, RHS.BB);
97       std::swap(Pred, RHS.Pred);
98       Values.swap(RHS.Values);
99     }
100   };
101
102   struct VISIBILITY_HIDDEN PromoteMem2Reg {
103     /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
104     ///
105     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
106     SmallVector<AllocaInst*, 16> &RetryList;
107     DominatorTree &DT;
108     DominanceFrontier &DF;
109
110     /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
111     ///
112     AliasSetTracker *AST;
113
114     /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
115     ///
116     std::map<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
117
118     /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
119     ///
120     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
121     
122     /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
123     /// it corresponds to.
124     DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
125     
126     /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
127     /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
128     /// to the inserted PHI nodes here.
129     ///
130     std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
131
132     /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
133     ///
134     SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
135
136     /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
137     /// non-determinstic behavior.
138     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
139
140     /// BBNumPreds - Lazily compute the number of predecessors a block has.
141     DenseMap<const BasicBlock*, unsigned> BBNumPreds;
142   public:
143     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A,
144                    SmallVector<AllocaInst*, 16> &Retry, DominatorTree &dt,
145                    DominanceFrontier &df, AliasSetTracker *ast)
146       : Allocas(A), RetryList(Retry), DT(dt), DF(df), AST(ast) {}
147
148     void run();
149
150     /// properlyDominates - Return true if I1 properly dominates I2.
151     ///
152     bool properlyDominates(Instruction *I1, Instruction *I2) const {
153       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(I1))
154         I1 = II->getNormalDest()->begin();
155       return DT.properlyDominates(I1->getParent(), I2->getParent());
156     }
157     
158     /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
159     ///
160     bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
161       return DT.dominates(BB1, BB2);
162     }
163
164   private:
165     void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
166       Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
167       Allocas.pop_back();
168       --AllocaIdx;
169     }
170
171     unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
172       unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
173       if (NP == 0)
174         NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB))+1;
175       return NP-1;
176     }
177
178     void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
179                                  AllocaInfo &Info);
180     
181     void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info);
182
183     void MarkDominatingPHILive(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNum,
184                                SmallPtrSet<PHINode*, 16> &DeadPHINodes);
185     bool PromoteLocallyUsedAlloca(BasicBlock *BB, AllocaInst *AI);
186     void PromoteLocallyUsedAllocas(BasicBlock *BB,
187                                    const std::vector<AllocaInst*> &AIs);
188
189     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
190                     RenamePassData::ValVector &IncVals,
191                     std::vector<RenamePassData> &Worklist);
192     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version,
193                       SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes);
194   };
195   
196   struct AllocaInfo {
197     std::vector<BasicBlock*> DefiningBlocks;
198     std::vector<BasicBlock*> UsingBlocks;
199     
200     StoreInst  *OnlyStore;
201     BasicBlock *OnlyBlock;
202     bool OnlyUsedInOneBlock;
203     
204     Value *AllocaPointerVal;
205     
206     void clear() {
207       DefiningBlocks.clear();
208       UsingBlocks.clear();
209       OnlyStore = 0;
210       OnlyBlock = 0;
211       OnlyUsedInOneBlock = true;
212       AllocaPointerVal = 0;
213     }
214     
215     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
216     /// ivars.
217     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
218       clear();
219       
220       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
221       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
222       // the same basic block.
223       for (Value::use_iterator U = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
224            U != E; ++U) {
225         Instruction *User = cast<Instruction>(*U);
226         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
227           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
228           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
229           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
230           OnlyStore = SI;
231         } else {
232           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
233           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
234           // reads.
235           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
236           AllocaPointerVal = LI;
237         }
238         
239         if (OnlyUsedInOneBlock) {
240           if (OnlyBlock == 0)
241             OnlyBlock = User->getParent();
242           else if (OnlyBlock != User->getParent())
243             OnlyUsedInOneBlock = false;
244         }
245       }
246     }
247   };
248
249 }  // end of anonymous namespace
250
251
252 void PromoteMem2Reg::run() {
253   Function &F = *DF.getRoot()->getParent();
254
255   // LocallyUsedAllocas - Keep track of all of the alloca instructions which are
256   // only used in a single basic block.  These instructions can be efficiently
257   // promoted by performing a single linear scan over that one block.  Since
258   // individual basic blocks are sometimes large, we group together all allocas
259   // that are live in a single basic block by the basic block they are live in.
260   std::map<BasicBlock*, std::vector<AllocaInst*> > LocallyUsedAllocas;
261
262   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
263
264   AllocaInfo Info;
265
266   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
267     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
268
269     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
270            "Cannot promote non-promotable alloca!");
271     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
272            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
273
274     if (AI->use_empty()) {
275       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
276       if (AST) AST->deleteValue(AI);
277       AI->eraseFromParent();
278
279       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
280       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
281       ++NumDeadAlloca;
282       continue;
283     }
284     
285     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
286     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
287     Info.AnalyzeAlloca(AI);
288
289     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
290     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
291     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
292       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info);
293
294       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
295       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
296         // Remove the (now dead) store and alloca.
297         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
298         if (AST) AST->deleteValue(AI);
299         AI->eraseFromParent();
300         
301         // The alloca has been processed, move on.
302         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
303         
304         ++NumSingleStore;
305         continue;
306       }
307     }
308     
309     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
310     // linear sweep over the block to eliminate it.
311     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
312       LocallyUsedAllocas[Info.OnlyBlock].push_back(AI);
313       
314       // Remove the alloca from the Allocas list, since it will be processed.
315       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
316       continue;
317     }
318     
319     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
320     // now.
321     if (BBNumbers.empty()) {
322       unsigned ID = 0;
323       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
324         BBNumbers[I] = ID++;
325     }
326
327     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
328     // stored into the alloca.
329     if (AST)
330       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
331     
332     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
333     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
334
335     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
336     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need phi
337     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
338     // dead phi nodes.
339     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
340   }
341
342   // Process all allocas which are only used in a single basic block.
343   for (std::map<BasicBlock*, std::vector<AllocaInst*> >::iterator I =
344          LocallyUsedAllocas.begin(), E = LocallyUsedAllocas.end(); I != E; ++I){
345     const std::vector<AllocaInst*> &LocAllocas = I->second;
346     assert(!LocAllocas.empty() && "empty alloca list??");
347
348     // It's common for there to only be one alloca in the list.  Handle it
349     // efficiently.
350     if (LocAllocas.size() == 1) {
351       // If we can do the quick promotion pass, do so now.
352       if (PromoteLocallyUsedAlloca(I->first, LocAllocas[0]))
353         RetryList.push_back(LocAllocas[0]);  // Failed, retry later.
354     } else {
355       // Locally promote anything possible.  Note that if this is unable to
356       // promote a particular alloca, it puts the alloca onto the Allocas vector
357       // for global processing.
358       PromoteLocallyUsedAllocas(I->first, LocAllocas);
359     }
360   }
361
362   if (Allocas.empty())
363     return; // All of the allocas must have been trivial!
364
365   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
366   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
367   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
368   //
369   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
370   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
371     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
372
373   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
374   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
375   //
376   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
377   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
378   while (!RenamePassWorkList.empty()) {
379     RenamePassData RPD;
380     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
381     RenamePassWorkList.pop_back();
382     // RenamePass may add new worklist entries.
383     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
384   }
385   
386   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
387   Visited.clear();
388
389   // Remove the allocas themselves from the function.
390   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
391     Instruction *A = Allocas[i];
392
393     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
394     // sections of dead code that were not processed on the dominance frontier.
395     // Just delete the users now.
396     //
397     if (!A->use_empty())
398       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
399     if (AST) AST->deleteValue(A);
400     A->eraseFromParent();
401   }
402
403   
404   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
405   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
406   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
407   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
408   bool EliminatedAPHI = true;
409   while (EliminatedAPHI) {
410     EliminatedAPHI = false;
411     
412     for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
413            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
414       PHINode *PN = I->second;
415       
416       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
417       if (Value *V = PN->hasConstantValue(true)) {
418         if (!isa<Instruction>(V) ||
419             properlyDominates(cast<Instruction>(V), PN)) {
420           if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
421             AST->deleteValue(PN);
422           PN->replaceAllUsesWith(V);
423           PN->eraseFromParent();
424           NewPhiNodes.erase(I++);
425           EliminatedAPHI = true;
426           continue;
427         }
428       }
429       ++I;
430     }
431   }
432   
433   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
434   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
435   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
436   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
437   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
438   //
439   for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
440          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
441     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
442     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
443     PHINode *SomePHI = I->second;
444     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
445     if (&BB->front() != SomePHI)
446       continue;
447
448     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
449     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
450     // number of incoming values, so we can just check any of them.
451     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
452       continue;
453
454     // Get the preds for BB.
455     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
456     
457     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
458     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
459     // access.
460     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
461     
462     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
463     // them from the Preds list.
464     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
465       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
466       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
467         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
468                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
469       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
470              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
471
472       // Remove the entry
473       Preds.erase(EntIt);
474     }
475
476     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
477     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
478     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
479     // mem2reg runs).
480     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
481     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
482     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
483            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
484       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
485       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
486         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
487     }
488   }
489         
490   NewPhiNodes.clear();
491 }
492
493
494 /// DetermineInsertionPoint - At this point, we're committed to promoting the
495 /// alloca using IDF's, and the standard SSA construction algorithm.  Determine
496 /// which blocks need phi nodes and see if we can optimize out some work by
497 /// avoiding insertion of dead phi nodes.
498 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
499                                              AllocaInfo &Info) {
500   // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
501   // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in.
502   unsigned CurrentVersion = 0;
503   SmallPtrSet<PHINode*, 16> InsertedPHINodes;
504   std::vector<std::pair<unsigned, BasicBlock*> > DFBlocks;
505   while (!Info.DefiningBlocks.empty()) {
506     BasicBlock *BB = Info.DefiningBlocks.back();
507     Info.DefiningBlocks.pop_back();
508     
509     // Look up the DF for this write, add it to PhiNodes
510     DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(BB);
511     if (it != DF.end()) {
512       const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
513       
514       // In theory we don't need the indirection through the DFBlocks vector.
515       // In practice, the order of calling QueuePhiNode would depend on the
516       // (unspecified) ordering of basic blocks in the dominance frontier,
517       // which would give PHI nodes non-determinstic subscripts.  Fix this by
518       // processing blocks in order of the occurance in the function.
519       for (DominanceFrontier::DomSetType::const_iterator P = S.begin(),
520            PE = S.end(); P != PE; ++P)
521         DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[*P], *P));
522       
523       // Sort by which the block ordering in the function.
524       std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
525       
526       for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i) {
527         BasicBlock *BB = DFBlocks[i].second;
528         if (QueuePhiNode(BB, AllocaNum, CurrentVersion, InsertedPHINodes))
529           Info.DefiningBlocks.push_back(BB);
530       }
531       DFBlocks.clear();
532     }
533   }
534   
535   // Now that we have inserted PHI nodes along the Iterated Dominance Frontier
536   // of the writes to the variable, scan through the reads of the variable,
537   // marking PHI nodes which are actually necessary as alive (by removing them
538   // from the InsertedPHINodes set).  This is not perfect: there may PHI
539   // marked alive because of loads which are dominated by stores, but there
540   // will be no unmarked PHI nodes which are actually used.
541   //
542   for (unsigned i = 0, e = Info.UsingBlocks.size(); i != e; ++i)
543     MarkDominatingPHILive(Info.UsingBlocks[i], AllocaNum, InsertedPHINodes);
544   Info.UsingBlocks.clear();
545   
546   // If there are any PHI nodes which are now known to be dead, remove them!
547   for (SmallPtrSet<PHINode*, 16>::iterator I = InsertedPHINodes.begin(),
548        E = InsertedPHINodes.end(); I != E; ++I) {
549     PHINode *PN = *I;
550     bool Erased=NewPhiNodes.erase(std::make_pair(PN->getParent(), AllocaNum));
551     Erased=Erased;
552     assert(Erased && "PHI already removed?");
553     
554     if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
555       AST->deleteValue(PN);
556     PN->eraseFromParent();
557     PhiToAllocaMap.erase(PN);
558   }
559 }
560   
561
562 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
563 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
564 /// the value stored.
565 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
566                                               AllocaInfo &Info) {
567   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
568   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
569   
570   // Be aware of loads before the store.
571   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> ProcessedBlocks;
572   for (unsigned i = 0, e = Info.UsingBlocks.size(); i != e; ++i) {
573     BasicBlock *UseBlock = Info.UsingBlocks[i];
574     
575     // If we already processed this block, don't reprocess it.
576     if (!ProcessedBlocks.insert(UseBlock)) {
577       Info.UsingBlocks[i] = Info.UsingBlocks.back();
578       Info.UsingBlocks.pop_back();
579       --i; --e;
580       continue;
581     }
582     
583     // If the store dominates the block and if we haven't processed it yet,
584     // do so now.  We can't handle the case where the store doesn't dominate a
585     // block because there may be a path between the store and the use, but we
586     // may need to insert phi nodes to handle dominance properly.
587     if (!StoringGlobalVal && !dominates(OnlyStore->getParent(), UseBlock))
588       continue;
589     
590     // If the use and store are in the same block, do a quick scan to
591     // verify that there are no uses before the store.
592     if (UseBlock == OnlyStore->getParent()) {
593       BasicBlock::iterator I = UseBlock->begin();
594       for (; &*I != OnlyStore; ++I) { // scan block for store.
595         if (isa<LoadInst>(I) && I->getOperand(0) == AI)
596           break;
597       }
598       if (&*I != OnlyStore)
599         continue;  // Do not promote the uses of this in this block.
600     }
601     
602     // Otherwise, if this is a different block or if all uses happen
603     // after the store, do a simple linear scan to replace loads with
604     // the stored value.
605     for (BasicBlock::iterator I = UseBlock->begin(), E = UseBlock->end();
606          I != E; ) {
607       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I++)) {
608         if (LI->getOperand(0) == AI) {
609           LI->replaceAllUsesWith(OnlyStore->getOperand(0));
610           if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
611             AST->deleteValue(LI);
612           LI->eraseFromParent();
613         }
614       }
615     }
616     
617     // Finally, remove this block from the UsingBlock set.
618     Info.UsingBlocks[i] = Info.UsingBlocks.back();
619     Info.UsingBlocks.pop_back();
620     --i; --e;
621   }
622 }
623
624
625 // MarkDominatingPHILive - Mem2Reg wants to construct "pruned" SSA form, not
626 // "minimal" SSA form.  To do this, it inserts all of the PHI nodes on the IDF
627 // as usual (inserting the PHI nodes in the DeadPHINodes set), then processes
628 // each read of the variable.  For each block that reads the variable, this
629 // function is called, which removes used PHI nodes from the DeadPHINodes set.
630 // After all of the reads have been processed, any PHI nodes left in the
631 // DeadPHINodes set are removed.
632 //
633 void PromoteMem2Reg::MarkDominatingPHILive(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNum,
634                                       SmallPtrSet<PHINode*, 16> &DeadPHINodes) {
635   // Scan the immediate dominators of this block looking for a block which has a
636   // PHI node for Alloca num.  If we find it, mark the PHI node as being alive!
637   DomTreeNode *IDomNode = DT.getNode(BB);
638   for (DomTreeNode *IDom = IDomNode; IDom; IDom = IDom->getIDom()) {
639     BasicBlock *DomBB = IDom->getBlock();
640     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator
641       I = NewPhiNodes.find(std::make_pair(DomBB, AllocaNum));
642     if (I == NewPhiNodes.end()) continue;
643     
644     // Ok, we found an inserted PHI node which dominates this value.
645     PHINode *DominatingPHI = I->second;
646
647     // Find out if we previously thought it was dead.  If so, mark it as being
648     // live by removing it from the DeadPHINodes set.
649     if (!DeadPHINodes.erase(DominatingPHI))
650       continue;
651     
652     // Now that we have marked the PHI node alive, also mark any PHI nodes
653     // which it might use as being alive as well.
654     for (pred_iterator PI = pred_begin(DomBB), PE = pred_end(DomBB);
655          PI != PE; ++PI)
656       MarkDominatingPHILive(*PI, AllocaNum, DeadPHINodes);
657   }
658 }
659
660 /// PromoteLocallyUsedAlloca - Many allocas are only used within a single basic
661 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
662 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
663 /// the basic block using the Alloca.
664 ///
665 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
666 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
667 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
668 /// this is potentially correct:
669 ///
670 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
671 ///
672 /// ... so long as A is not used before undef is set.
673 ///
674 bool PromoteMem2Reg::PromoteLocallyUsedAlloca(BasicBlock *BB, AllocaInst *AI) {
675   assert(!AI->use_empty() && "There are no uses of the alloca!");
676
677   // Handle degenerate cases quickly.
678   if (AI->hasOneUse()) {
679     Instruction *U = cast<Instruction>(AI->use_back());
680     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
681       // Must be a load of uninitialized value.
682       LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(AI->getAllocatedType()));
683       if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
684         AST->deleteValue(LI);
685     } else {
686       // Otherwise it must be a store which is never read.
687       assert(isa<StoreInst>(U));
688     }
689     BB->getInstList().erase(U);
690   } else {
691     // Uses of the uninitialized memory location shall get undef.
692     Value *CurVal = 0;
693
694     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
695       Instruction *Inst = I++;
696       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
697         if (LI->getOperand(0) == AI) {
698           if (!CurVal) return true;  // Could not locally promote!
699
700           // Loads just returns the "current value"...
701           LI->replaceAllUsesWith(CurVal);
702           if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
703             AST->deleteValue(LI);
704           BB->getInstList().erase(LI);
705         }
706       } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
707         if (SI->getOperand(1) == AI) {
708           // Store updates the "current value"...
709           CurVal = SI->getOperand(0);
710           BB->getInstList().erase(SI);
711         }
712       }
713     }
714   }
715
716   // After traversing the basic block, there should be no more uses of the
717   // alloca: remove it now.
718   assert(AI->use_empty() && "Uses of alloca from more than one BB??");
719   if (AST) AST->deleteValue(AI);
720   AI->eraseFromParent();
721   
722   ++NumLocalPromoted;
723   return false;
724 }
725
726 /// PromoteLocallyUsedAllocas - This method is just like
727 /// PromoteLocallyUsedAlloca, except that it processes multiple alloca
728 /// instructions in parallel.  This is important in cases where we have large
729 /// basic blocks, as we don't want to rescan the entire basic block for each
730 /// alloca which is locally used in it (which might be a lot).
731 void PromoteMem2Reg::
732 PromoteLocallyUsedAllocas(BasicBlock *BB, const std::vector<AllocaInst*> &AIs) {
733   DenseMap<AllocaInst*, Value*> CurValues;
734   for (unsigned i = 0, e = AIs.size(); i != e; ++i)
735     CurValues[AIs[i]] = 0; // Insert with null value
736
737   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
738     Instruction *Inst = I++;
739     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
740       // Is this a load of an alloca we are tracking?
741       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getOperand(0))) {
742         DenseMap<AllocaInst*, Value*>::iterator AIt = CurValues.find(AI);
743         if (AIt != CurValues.end()) {
744           // If loading an uninitialized value, allow the inter-block case to
745           // handle it.  Due to control flow, this might actually be ok.
746           if (AIt->second == 0) {  // Use of locally uninitialized value??
747             RetryList.push_back(AI);   // Retry elsewhere.
748             CurValues.erase(AIt);   // Stop tracking this here.
749             if (CurValues.empty()) return;
750           } else {
751             // Loads just returns the "current value"...
752             LI->replaceAllUsesWith(AIt->second);
753             if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
754               AST->deleteValue(LI);
755             BB->getInstList().erase(LI);
756           }
757         }
758       }
759     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
760       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getOperand(1))) {
761         DenseMap<AllocaInst*, Value*>::iterator AIt = CurValues.find(AI);
762         if (AIt != CurValues.end()) {
763           // Store updates the "current value"...
764           AIt->second = SI->getOperand(0);
765           SI->eraseFromParent();
766         }
767       }
768     }
769   }
770   
771   // At the end of the block scan, all allocas in CurValues are dead.
772   for (DenseMap<AllocaInst*, Value*>::iterator I = CurValues.begin(),
773        E = CurValues.end(); I != E; ++I) {
774     AllocaInst *AI = I->first;
775     assert(AI->use_empty() && "Uses of alloca from more than one BB??");
776     if (AST) AST->deleteValue(AI);
777     AI->eraseFromParent();
778   }
779
780   NumLocalPromoted += CurValues.size();
781 }
782
783
784
785 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
786 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
787 //
788 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
789                                   unsigned &Version,
790                                   SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes) {
791   // Look up the basic-block in question.
792   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
793
794   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
795   if (PN) return false;
796
797   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
798   // BasicBlock.
799   PN = new PHINode(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
800                    Allocas[AllocaNo]->getName() + "." +
801                    utostr(Version++), BB->begin());
802   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
803   PN->reserveOperandSpace(getNumPreds(BB));
804   
805   InsertedPHINodes.insert(PN);
806
807   if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
808     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
809
810   return true;
811 }
812
813
814 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
815 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
816 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
817 //
818 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
819                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
820                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
821 NextIteration:
822   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
823   // block.
824   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
825     // Pred may have multiple edges to BB.  If so, we want to add N incoming
826     // values to each PHI we are inserting on the first time we see the edge.
827     // Check to see if APN already has incoming values from Pred.  This also
828     // prevents us from modifying PHI nodes that are not currently being
829     // inserted.
830     bool HasPredEntries = false;
831     for (unsigned i = 0, e = APN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
832       if (APN->getIncomingBlock(i) == Pred) {
833         HasPredEntries = true;
834         break;
835       }
836     }
837     
838     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
839     // BB.
840     if (!HasPredEntries) {
841       TerminatorInst *PredTerm = Pred->getTerminator();
842       unsigned NumEdges = 0;
843       for (unsigned i = 0, e = PredTerm->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
844         if (PredTerm->getSuccessor(i) == BB)
845           ++NumEdges;
846       }
847       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
848       
849       // Add entries for all the phis.
850       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
851       do {
852         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
853         
854         // Add N incoming values to the PHI node.
855         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
856           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
857         
858         // The currently active variable for this block is now the PHI.
859         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
860         
861         // Get the next phi node.
862         ++PNI;
863         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
864         if (APN == 0) break;
865         
866         // Verify it doesn't already have entries for Pred.  If it does, it is
867         // not being inserted by this mem2reg invocation.
868         HasPredEntries = false;
869         for (unsigned i = 0, e = APN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
870           if (APN->getIncomingBlock(i) == Pred) {
871             HasPredEntries = true;
872             break;
873           }
874         }
875       } while (!HasPredEntries);
876     }
877   }
878   
879   // Don't revisit blocks.
880   if (!Visited.insert(BB)) return;
881
882   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
883     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
884
885     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
886       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
887       if (!Src) continue;
888   
889       std::map<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
890       if (AI == AllocaLookup.end()) continue;
891
892       Value *V = IncomingVals[AI->second];
893
894       // Anything using the load now uses the current value.
895       LI->replaceAllUsesWith(V);
896       if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
897         AST->deleteValue(LI);
898       BB->getInstList().erase(LI);
899     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
900       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
901       // value
902       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
903       if (!Dest) continue;
904       
905       std::map<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
906       if (ai == AllocaLookup.end())
907         continue;
908       
909       // what value were we writing?
910       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
911       BB->getInstList().erase(SI);
912     }
913   }
914
915   // 'Recurse' to our successors.
916   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
917   unsigned NumSuccs = TI->getNumSuccessors();
918   if (NumSuccs == 0) return;
919   
920   // Add all-but-one successor to the worklist.
921   for (unsigned i = 0; i != NumSuccs-1; i++)
922     Worklist.push_back(RenamePassData(TI->getSuccessor(i), BB, IncomingVals));
923   
924   // Handle the last successor without using the worklist.  This allows us to
925   // handle unconditional branches directly, for example.
926   Pred = BB;
927   BB = TI->getSuccessor(NumSuccs-1);
928   goto NextIteration;
929 }
930
931 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
932 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function makes
933 /// use of DominanceFrontier information.  This function does not modify the CFG
934 /// of the function at all.  All allocas must be from the same function.
935 ///
936 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
937 /// made to the IR.
938 ///
939 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
940                            DominatorTree &DT, DominanceFrontier &DF,
941                            AliasSetTracker *AST) {
942   // If there is nothing to do, bail out...
943   if (Allocas.empty()) return;
944
945   SmallVector<AllocaInst*, 16> RetryList;
946   PromoteMem2Reg(Allocas, RetryList, DT, DF, AST).run();
947
948   // PromoteMem2Reg may not have been able to promote all of the allocas in one
949   // pass, run it again if needed.
950   std::vector<AllocaInst*> NewAllocas;
951   while (!RetryList.empty()) {
952     // If we need to retry some allocas, this is due to there being no store
953     // before a read in a local block.  To counteract this, insert a store of
954     // undef into the alloca right after the alloca itself.
955     for (unsigned i = 0, e = RetryList.size(); i != e; ++i) {
956       BasicBlock::iterator BBI = RetryList[i];
957
958       new StoreInst(UndefValue::get(RetryList[i]->getAllocatedType()),
959                     RetryList[i], ++BBI);
960     }
961
962     NewAllocas.assign(RetryList.begin(), RetryList.end());
963     RetryList.clear();
964     PromoteMem2Reg(NewAllocas, RetryList, DT, DF, AST).run();
965     NewAllocas.clear();
966   }
967 }